Ein Mehrkanal-TCT Aufbau mit positions- und winkelabhängiger Ladungsinjektion hoher Intensität

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1 Ein Mehrkanal-TCT Aufbau mit positions- und winkelabhängiger Ladungsinjektion hoher Intensität Julian Becker, Doris Eckstein, Robert Klanner, Georg Steinbrück Universität Hamburg, Institut für Experimentalphysik, Detektorlabor DPG-Frühjahrstagung

2 Überblick Motivation Grundlagen des TCT Mehrkanal TCT (MTCT) Layout Elektronik bisheriger Aufbau Laserfokus Status und Ausblick Mehrkanal-TCT, Julian Becker 2

3 Motivation Ziel: Zeitaufgelöste mehrkanalige Ladungssammlungsmessungen an strukturierten Si-Sensoren im Labor Ladungssammlung: ist der fundamentale Prozess in Si-Sensoren Zeitaufgelöst: zum Verständnis der Ladungssammlung ist es notwendig die Pulsform (Transiente) und das Integral (Ladung) eines Signals zu kennen Strukturierte Si-Sensoren: werden in aktuellen Detektoren z.b. am LHC und XFEL eingesetzt; Strukturgrößen ~100µm Mehrkanalig: ermöglicht Messungen von Ladungsteilung zwischen Strukturen Vertex-Detektor am LHC extreme Strahlenschäden reduzieren gesammelte Ladung (trapping) Signal/Rausch Verhältnis sinkt Dunkelstrom steigt Beispiele: XFEL Hybrid Pixel Array Detector (HPAD) extreme Intensitätsdynamik vom Einzelphoton bis zu 10 4 Photonen (1000 MIPs) /Puls/Pixel Expansion (Ladung in mehreren Pixel) Plasma-Verzögerung (Ladungssammelzeit erhöht sich) Mehrkanal-TCT, Julian Becker 3

4 Messmethode Folgende wichtige Sensoreigenschaften sollen bestimmt werden: Ladungssammlungseffizienz (CCE) -> Signal/Rausch-Verhältnis Ladungseinfangzeit (trapping time) Ladungssammlungszeit Ladungsteilung Transient Current Technique TCT + Mehrere Kanäle MTCT Mehrkanal-TCT, Julian Becker 4

5 Grundlagen des TCT MIP oder 1052nm Laser (Eindringtiefe 900µm) Loch Elektron 660nm Laser (Eindringtiefe 3 µm) oder α-teilchen (Eindringtiefe 20 µm) CG1233, FZ-Si 280µm Dicke, Ubias=100V Mehrkanal-TCT, Julian Becker 5

6 Spezifikationen Mehrkanal-TCT Set-up Messung an Streifen- und Pixelstrukturen Mehrere Kanäle gleichzeitig auslesbar Hohe (XFEL) und niedrige (MIP) Intensitäten Fokuspunkt ~ 10 µm Temperaturen -10 C bis 20 C zu untersuchende Struktur beweglich montiert um Scans zu ermöglichen (x-y) Injektion unter Winkel (bis ca. 70 entspricht 10 in Silizium) Injektion von Vorderseite und Rückseite möglich Maximale Größe 13x26 mm² Mehrkanal-TCT, Julian Becker 6

7 Schematischer Aufbau Spannungsquelle Peltier Controller Glasfaserkabel und Optik Halterng Kühlung y Tisch Automatisierte Steuerung und Datennahme Kühlschläuche z Tisch x Tisch Laser Laser Controller trigger line 4 Abschwächer (Stufen 1/1 bis 1/ ) 4 Verstärker (x500) 500 MHz Oszilloskop Mehrkanal-TCT, Julian Becker 7

8 Impulsantwort der Elektronik 1,00 0,80 Referenzsignal Abschwächer, Verstärker und 20 cm Kabel Abschwächer, Verstärker und 250 cm Kabel 0,60 rel. Amplitude 0,40 0,20 0,00-0, Zeit [ns] Mehrkanal-TCT, Julian Becker 8

9 Foto vom bisherigen Aufbau provisorische Halterung X-Y Tische Abschwächer und Verstärker Optik Laser Z Tisch Mehrkanal-TCT, Julian Becker 9

10 Laser system (PicoQuant) 660 nm (rot) Eindringtiefe: 3µm Minimalenergie: 3,8 fj/puls 70 ps Pulsbreite Maximalenergie: 13 pj/puls e-h/cm 3 Plasmaeffekt, wenn Ladungsträgerdichte >> Grunddotierung ( O(10 13 ) ) 800 ps Pulsbreite 1052nm (infrarot) Eindringtiefe: 900 µm Minimalenergie: 12,5 fj/puls 1 MIP 10 XFEL-γ (12keV) 70 ps Pulsbreite Maximalenergie: 95 pj/puls 6x10 4 XFEL-γ (12keV) 140 Millionen e-h Paare 6000 MIPs 700 ps Pulsbreite Mehrkanal-TCT, Julian Becker 10

11 Laseroptik (gauss scher Strahl) Strahlaufweiter x15 Blende Linse Kollimator für Glasfaser Graufilter Detektor D Kollimator = 1,5 mm D Spot = 2M π D 2 λf Linse Arbeitsabstand Brennweite f Qualitätsfaktor M 2 = 2; λ = 660 nm; f = 75 mm; D Linse = D Kollimator x Aufweitung D Spot 2,8 µm < 10µm, wie gefordert Mehrkanal-TCT, Julian Becker 11

12 Fokusgröße Photostrom Ableitung Gauss-Fit σ=5,7 µm x Mehrkanal-TCT, Julian Becker 12

13 [µa/µm] Mehrkanal-TCT, Julian Becker 13

14 Status und Ausblick Ziel: Zeitaufgelöste mehrkanalige Ladungssammlungsmessungen an strukturierten Si-Sensoren im Labor Gegenwärtiger Status: Standard-TCT Untersuchungen mit provisorischer Halterung möglich kleine Fokusgröße (<10 µm) hohe Laserintensität (XFEL) hoher dynamischer Bereich (Elektronik und Laser) X-Y-Z Stelltische Laserinjektion unter Winkel möglich Ausblick: Temperaturkontrolle Ausmerzen von Kinderkrankheiten in Labview-Software Untersuchungen an Teststrukturen (CMS-Pixel vorhanden) Mehrkanal-TCT, Julian Becker 14

15 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Mehrkanal-TCT, Julian Becker 15

16 Laser system (red) minimum energy: 22 pj/pulse 70 ps pulse width maximum energy: 140 pj/pulse 800 ps pulse width Mehrkanal-TCT, Julian Becker 16

17 Laser system (IR) minimum energy: 44 pj/pulse 70 ps pulse width maximum energy: 275 pj/pulse 700 ps pulse width Mehrkanal-TCT, Julian Becker 17

18 Mechanik z ϕ z Mechanische Präzision in der Größenordnung ½ Spotsize 1 µm Flip-over Detektorhalterung ermöglicht Beleuchtung der Rückseite x y Rotationsachse liegt auf optischer Achse Mehrkanal-TCT, Julian Becker 18

19 Brechungsproblem 1060nm Licht ist kein MIP deswegen unterliegt es der Lichtbrechung nach dem snelliusschen Gesetz 18 n 1 α 2 sinα 1 = n 2 n = arcsin n sinα sin( α ) 1 n Luft =1 α 1 Propagationswinkel n Silizium =3, Einstrahlwinkel Mehrkanal-TCT, Julian Becker 19